一種基於溫度匹配的高靈敏度實時葉片擾度監測方案的製作方法
2023-12-01 22:51:16 2
一種基於溫度匹配的高靈敏度實時葉片擾度監測方案的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於溫度匹配的高靈敏度實時葉片擾度監測方案。在風機葉片正反兩面同時安裝匹配傳感光柵序列來實現對葉片應力分布的完整監測。當葉片受載時各傳感光柵序列將分別感知其正面所受的拉應變和背面所受的壓應變，本發明一方面提高了系統對微小應變的測量靈敏度；一方面在系統不需要依靠任何溫度補償或者標定單元就可消除環境溫度變化對測量帶來的不良影響，在很大程度上降低了系統成本並且簡化了整個系統的工程結構。每個葉片所對應的擾度測量單元會實時將其所測信息反饋至變槳系統控制單元，進而輔助風機主控系統完成相應的變槳操作。作為風機安全監測與變槳控制的關鍵技術，可用於葉片應變或擾度特性以及健康監測等領域。
【專利說明】一種基於溫度匹配的高靈敏度實時葉片擾度監測方案
【技術領域】
[0001]本發明涉及光纖光柵傳感與測量、風機葉片變槳與控制等領域，通過對風機葉片不同位置受力情況等動態特性實時監測方案的改進，作為保障風機運行安全以及提高變槳系統控制效率的關鍵技術。
【背景技術】
[0002]近年來隨著世界各國對風能發電的高度重視，在大力推廣風場建設的同時也日益考慮到槳葉運行的穩定性對風能發電效率與風機安全影響的重要意義，因此反饋至主控以及變槳系統的風機葉片擾度信息的準確性和可靠性也受到越來越廣泛的關注。
[0003]風力發電的迅猛發展，使得變槳控制策略和效率對風機發電效率及安全的影響日益突出，需要對葉片的應變及擾度信息進行實時測量，以便於反饋至風機主控系統進行即時變槳操作。傳統的測量方法通常採用電傳感器(如應變片)，但隨著傳感器組網規模的增力口，電傳感器的電磁幹擾問題也變得嚴峻，同時其在測量速度和精度上也遠不能滿足現有需求。
[0004]光纖光柵由於它的測量速度快、精度高、不受電磁幹擾等特點在傳感信息測量領域受到了極大的關注和研究。目前也有不少採用光纖光柵實現對葉片應變和擾度測量的方案，所採用的技術主要是用光柵取代了傳統意義上的電傳感器，再結合一系列的光復用技術(如時分、波分)來提高系統的測量和組網規模，它較好的解決了電傳感器易受電磁幹擾和測量速度不高的局限性，但也還存在一些不足之處:其一，由於光柵對溫度和應變的交叉敏感性，使得葉片擾度的測量結果往往存在一定的誤差，而傳統消除溫度影響的溫控和標定方案會使得系統規模變得更加龐大和複雜，進而讓系統在整體成本和可靠性方面略有不足；其二，傳統測量方案只是監測葉片一面的應變和擾度信息，而風機葉片本來就屬於微小形變，該種測量方案存在靈敏度不足的可能。
【發明內容】
[0005]鑑於現有葉片應變、擾度測量技術上的不足，本發明旨在提供一種能提高整個監測網絡測量靈敏度和可靠性的結構，以及相應的反饋控制策略，包括技術原理、安裝方式、方案比較、優化方法等。
[0006]本發明的目的通過如下手段來實現。
[0007]—種基於溫度匹配的高靈敏度實時葉片擾度監測方案，採用葉片擾度測量單元和變槳控制單元構成的風機自適應變槳系統，在保證風機正常穩定運行的前提下使其達到最大的風能捕獲效果；葉片擾度測量單元包括寬帶光源、光纖環形器、反射譜相互匹配的光纖光柵序列和相應的應變解調處理終端。葉片擾度測量單元由安裝在葉片正反兩面且互為參考的傳感光柵序列構成。
[0008]實施安裝時，光纖光柵傳感序列採用以下布置手段:每個葉片正面安裝N根FBG傳感光柵序列I，每個序列包括M個FBG節點；同時在葉片背面安裝與傳感光柵序列I相匹配的N根FBG傳感光柵序列II，每個序列同樣包括M個FBG傳感節點。
[0009]N根傳感序列在葉片上的布置方法可參考葉片受力模型加以分布也可以以葉片中心呈軸對稱分布排列，以實現對葉片應力分布的完整監測。這樣，使得系統最終擾度測量結果實際為兩傳感光柵雙向應變效果的疊加，從而提高了系統的靈敏度，解決了風機在微小載荷下系統應變測量靈敏度較低的問題。
[0010]葉片擾度監測單元採用的傳感光柵序列以粘貼或埋入葉片表面的方式固定於葉片正反兩面，分別感應葉片受載後其正面所受的軸向拉應變和其背面所受的軸向壓應變。風機可在每一個葉片上安裝一套擾度信息測量單元，由風機主控系統控制整個風機各個葉片的監測單元組網並輔助自適應變槳系統完成最終的變槳操作。
[0011]本發明採用光柵傳感技術結合相應的復用方案(如時分、波分等)，可滿足大規模組網與高速測量的相應需求，其通過感知各傳感光柵序列所測得的數據來確定當前應變與擾度等傳感信息。分別在葉片正反兩面安裝相應的傳感光柵序列，較之傳統安裝方案主要有以下幾個方面的優勢:首先，傳統光柵傳感方案中，將傳感光柵布置於葉片正面，把參考光柵放在機艙主控室的解調單元內，環境溫度變化對傳感與參考光柵將產生不同的影響，進而無法進行溫度與應變傳感信息的分離。本方案中相對應的傳感光柵節點相對於葉片橫切面呈鏡像分布安裝，且兩序列互為參考，始終受到同一溫度的影響，進而消除了溫度的交叉敏感。同時，由於採用了正反兩面的傳感光柵安裝方式，系統不需要引入任何光柵溫度控制補償與標定裝置，進一步降低了系統成本並在很大程度上簡化了工程結構。其次，當葉片受到相應載荷時，處於葉片正面的傳感光柵將受到拉應變，處於葉片背面的傳感光柵將受到壓應變，系統最終所測得的傳感信號靈敏度將是傳統方法的兩倍，這種基於雙向應變的解調方式可以彌補傳統單向應變解調方案中測量靈敏度低的不足，確保傳感信息的可靠性和準確性。
[0012]將上述光柵傳感技術運用於風機葉片應變監測系統中，由風機主控系統控制整個風機的各個葉片監測系統組網並輔助自適應變槳系統完成最終的變槳操作，在保證風機正常穩定運行的前提下使其達到最大的風能捕獲效果，進而提高風能的利用率。
[0013]本發明中，監測系統所測量到的葉片擾度信息將實時反饋至風機主控系統，其再控制相應的偏航和變槳系統完成具體的控制策略:當所測得應變較小時，表明當前風力較弱，應偏轉葉片增加其正對風的面積使其獲得最大風能捕獲以提高發電效率；當測得的應變值較大甚至超過安全閾值時，表明當前風力可能會對風機造成損害，應即時控制變槳系統使葉片正對風的面積減小或者直接停機保護。
[0014]本發明的傳感網絡組建方法能同時確保對各組傳感光柵節點應變數據的準確測量，並且傳感光柵的安裝方式可以保證復用系統中每兩個匹配光柵節點所受溫度的一致性，真正意義上的消除了溫度傳感信息的交叉影響，並省去了溫度補償與標定單元，很大程度上降低了系統成本和簡化了工程結構。對葉片應變和擾度特性以及大型結構的健康狀況監測具有重要的參考意義。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0015]圖1為本發明基於溫度匹配方法實現對風機葉片擾度特性實時監測的系統結構圖；[0016]圖2為本發明中風機葉片單面應變監測所採用的光纖光柵之安裝結構示意圖；
[0017]圖3為本發明所採用的光纖光柵傳感系統與自動變槳系統的相應結構原理圖；
[0018]圖4為本發明在葉片受載荷情況下光纖光柵傳感系統一種實施方案的原理應用框圖；4(a)是葉片受載荷時的基本模型圖，4(b)表明系統所採用的雙向應變解調原理示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結合附圖對本發明的具體實施作進一步的描述。但是應該強調的是，下面的實施方式只是示例性的，而不是為了限制本發明的範圍及應用。
[0020]圖1為本發明基於溫度匹配方法實現對風機葉片擾度特性實時監測的系統結構圖。一個獨立的風機系統大致由機塔106、機艙102、輪軸105、槳葉104和偏航控制器107構成，風機的主控系統大部分均位於機艙102內，以監測風機運行的各個狀態，而槳葉所受到的應變情況在整個傳感信息測量系統中又最為關鍵。通常所採用光纖光柵傳感系統均是將傳感光柵序列布置於葉片正面，而將參考光柵序列放置在機艙內的解調單元103中，這樣的實施方案主要有以下方面的不足:首先，很難保證參考光柵(艙內控制室)與傳感光柵序列(艙外)所處環境溫度的一致性；其次，即使在解調單元內引入溫度補償與標定模塊，也很難確保補償溫度的正確性，因為風機葉片長度通常為十幾米到幾十米不等，葉片頂部和葉片根部溫度的差異性以及由溫度補償單元所測量到的環境溫度值之間本身就可能存在較大差別，幾乎不能保證傳感與參考光柵節點溫度的一致性。
[0021]圖1中對於本發明實現溫度匹配之高靈敏度實時葉片擾度監測系統單元，其風機槳葉上的光柵節點布置方案如下:在葉片的正面布置N根傳感光柵序列I，每個序列包括M個光柵節點；同時將傳統意義上的N根參考光柵也作為傳感光柵序列II布置於葉片背面，確保這兩個序列的光柵節點一一匹配，並要求相匹配的兩光柵節點的安裝位置應與葉片呈鏡像對稱。通過上述的安裝方法，一方面將傳統意義上的參考光柵也作為了應變測量的傳感光柵，將其由單向應變測量變成了雙向應變，有助於提高監測系統的測量靈敏度；其次，這樣的安裝方式使得相互匹配的兩個光柵序列互為參考，更主要的是其在真正意義上的實現了相互匹配的兩光柵節點所受溫度變化的一致性，消除了系統對溫度和應變交叉敏感而帶來的不良影響。
[0022]圖2為本發明中風機葉片單面應變監測所採用的光纖光柵之安裝結構示意圖。針對葉片模型受力等情況，圖2給出了葉片上每一面安裝傳感光柵序列的具體方法:首先，沿葉片軸向布置N根傳感光柵序列，每根序列包括M個節點，這N根序列可以以葉片中心呈軸對稱(或者其它方式)分布排列，以實現對葉片應力分布的完整監測；其次，每個序列的M個節點可均勻布置在葉片軸向位置也可按實際需要加以布置，一種較為可行的布置方法是根據葉片的受力模型，因葉片根部型變最小，可以適當減少所安裝的光柵節點數，而靠近葉片頂部的結構將變得較薄，其在受到相同載荷情況下的型變就會較大，因此可適當增加所安裝的光柵節點數以確保更精確的測量應變信息。葉片兩面的光柵序列應與葉片橫切片成鏡像對稱安裝，以確保系統解調時所需參數的一致性。
[0023]圖3為本發明所採用的光纖光柵傳感系統及自動變槳系統的相應結構原理圖。由上述方案所採用的光纖光柵安裝方法，首先將各傳感光柵序列經過相應的復用系統連接以組成相應規模的傳感網絡，這裡可採用的復用技術是很廣泛的，典型的如光波分復用、光時分復用技術等；其次，光柵傳感系統所對應的解調終端會實時採集、測量與處理相應的風機槳葉應變與擾度等傳感信息，並送入風機主控系統進而輔助自動變槳系統完成相應的變槳操作；最後，當風機控制系統接收到各葉片的擾度傳感信息後會得出當前所受風力載荷的詳細情況，若當前風機葉片所受應變較小(載荷較小)，則需通過相應的偏航和變槳控制來增大葉片受風面的正對面積，以獲得最大的風能捕獲；若得到的應變數據較大，表明載荷過高時，則變槳控制系統應儘快控制葉片轉向以減小其受風面的正對面積(必要時甚至停機保護)，進而確保風機運行的安全與穩定。
[0024]圖4為本發明在葉片受載荷情況下光纖光柵傳感系統一種實施方案的原理應用框圖。圖4(a)是葉片受載荷時的基本模型圖，4(b)表明系統所採用的雙向應變解調原理示意圖。當葉片受到風力影響時，處於葉片正面的傳感光柵序列I將受到拉應變，在圖4(b)中體現為FBGnm的反射譜中心波長將向長波長方向漂移；而處於葉片背面的傳感光柵序列II將受到壓應變，在圖4(b)中體現為FBGnm.的反射譜中心波長將向短波長漂移。
[0025]在圖4(b)中，由於這兩個傳感光柵序列互為參考且均處於同一環境溫度下，溫度的變化對各序列將產生等效的作用(對應傳感光柵中心波長將向同一個方向偏移等量的大小)，所以無論系統採用的是基於時分復用所測得的光強信息還是基于波分復用所測得的波長信息，其最終所得到的相對傳感量(兩傳感序列測量結果之差)將是溫度無關的。並且因為兩傳感序列均感知了葉片應變信息，進而在很大程度上提高了系統的測量靈敏度，克服了微小型變下系統所存在的相應問題。
[0026]在實際測量中，假設由風力使葉片受到的載荷為P時，葉片正面的FBGnm和背面的FBGnm』將分別產生拉應變ε i和壓應變ε 2，因兩光柵節點安裝於同一葉片的相近位置，故溫度變化量AT基本一致。設定拉應變為正向應變，那麼由光纖光柵傳感原理可以得到由載荷P所引起的FBGnm和FBGnm』反射譜中心波長漂移量分別為:
[0027]Δ λ j = kE ε 外 Δ T
[0028]= -k ε kP1P+kT Δ T
[0029]Δ λ 2 = kE ε 2+kT Δ T
[0030]= k ε kP2P+kT Δ T
[0031]Δ T為溫度變化量，kE、kT分別為光柵軸向應變靈敏度常數和溫度靈敏度常數，kn和kP2分別為FBGnm和FBGnm』安裝處載荷P與此處應變的比例常數，負號表示壓應變。因此可得出總的波長漂移量為:
[0032]Δ λ = kE ( ε r ε 2)
[0033]= kE Δ ε
[0034]= kE (kP2+kP1)P
[0035]Δ ε為FBG軸向應變量，由此可知，傳感光柵中心波長的漂移量只與光柵軸向應變的相對變化量△ ε (或載荷P)有關。進而從根本上消除了環境溫度變化對系統測量的不良影響；同時也可得出，由於採用了正反兩面的雙向應變測量方法，與傳統的測量方案相t匕，此方法具有更高的測量靈敏度。
[0036]本發明可適用於諸多場合，如大型橋梁、建築的結構健康監測，特別地對於大型風力發電裝置中葉片應變及擾度特性監測以及對葉片自動變槳系統的輔助具有重要參考價值，在提高監測靈敏度的同時也確保了系統測量的溫度無關性，保障風機運行的安全與效率。
【權利要求】
1.一種基於溫度匹配的高靈敏度實時葉片擾度監測方案，採用葉片擾度測量單元和變槳控制單元構成的風機自適應變槳系統，在保證風機正常穩定運行的前提下使其達到最大的風能捕獲效果；葉片擾度測量單元包括寬帶光源、光纖環形器、反射譜相互匹配的光纖光柵序列和相應的應變解調處理終端；其特徵在於，葉片擾度測量單元由安裝在葉片正反兩面且互為參考的傳感光柵序列構成。
2.根據權利要求1中所述之基於溫度匹配的高靈敏度實時葉片擾度監測方案，其特徵在於，光纖光柵傳感序列採用以下布置手段:每個葉片正面安裝N根FBG傳感光柵序列I，每個序列包括M個FBG節點；同時在葉片背面安裝與傳感光柵序列I相匹配的N根FBG傳感光柵序列II，每個序列同樣包括M個FBG傳感節點。
3.根據權利要求1或2所述一種基於溫度匹配的高靈敏度實時葉片擾度監測方案，其特徵在於，N根傳感序列在葉片上的布置方法可參考葉片受力模型加以分布也可以以葉片中心呈軸對稱分布排列，以實現對葉片應力分布的完整監測。
4.根據權利要求3所述一種基於溫度匹配的高靈敏度實時葉片擾度監測方案，其特徵在於所述葉片擾度監測單元採用的傳感光柵序列以粘貼或埋入葉片表面的方式固定於葉片正反兩面，分別感應葉片受載後其正面所受的軸向拉應變和其背面所受的軸向壓應變。
5.根據權利要求1中所述一種基於溫度匹配的高靈敏度實時葉片擾度監測方案，其特徵在於，風機每一個葉片均安裝一套擾度信息測量單元，由風機主控系統控制整個風機各個葉片的監測單元組網並輔助自適應變槳系統完成最終的變槳操作。
【文檔編號】G01B11/16GK103954227SQ201410172075
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月25日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】閆連山, 吳宗玲, 潘煒, 羅斌, 邵理陽, 鄒喜華, 張志勇 申請人:西南交通大學